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日晒加速老化测试中焦耳数等效存在的问题-光谱

发布于:2019-05-06T19:05:17 阅读次数:1788

关于实验室加速老化测试与自然老化时间的换算,有一个诱人的想法——如果用焦耳数等效自然老化环境中的老化情况。就可以很方便的进行老化时间的换算。甚至可以对不同光源的的老化情况进行等价换算。然而,这种想法只是一种理想化的想法。实际应用中,用焦耳数等效并不能体现光谱对于老化的影响情况。

太阳光与波长对应的光谱持续发生变化。不仅是紫外辐照量,太阳光的光谱功率分布曲线的形状也在随着每天时间、年份、云层遮挡、空气污染及纬度的变化而改变。例如,图1显示太阳入射角的季节性变化引起波长漂移。可见,冬天的光谱功率分布缺少了最短的也是破坏性最强的那段波长小于310nm的。

阳光紫外谱线的季节性波长漂移

图1-太阳光紫外谱线的季节性波长漂移,从夏至中午的太阳光到冬至中午的太阳光。

不同的实验室暴露设备之间的光谱功率分布也存在很大差异。荧光紫外试验机可使用3种类型的灯管,氙灯试验箱可使用不同的过滤器,碳弧试验箱使用 2 种差别非常大的光源。此外,随着氙灯灯管的使用时间,氙灯的光谱功率分布的形状也会发生变化。

如果焦耳数可以有效定义暴露时间,它必须能够体现户外或实验室加速测试中的光谱功率分布的差异。然而,数据表明,当用焦耳数定义暴露时间时,光谱功率分布的微小变化就会引起很大的问题。

许多研究表明,一般而言,相同能量的短波紫外线比相同能量的长波紫外线的破坏力要强。例如,如图 2 所示,聚烯烃暴露在不同波长的 1MJ/m2 的紫外照射下,在 280nm形成的羰基是在 340nm的 5 到10 倍。类似的研究表明用焦耳数定义暴露时间将引起重大错误,除非相比较的光源的光谱功率分布完全相同。

图 2聚烯蟒的光谱响应。羰基形成(随光密度变化)与辐照波长的联系,任一波长的焦耳数是1MJ/m2。

为了直观说明波长不同引起的错误,几种材料的样品按照 ASTM G53进行暴露测试,ASTM G53是关于光照和冷凝暴露设备(荧光紫外类型)的一个测试标准。每次暴露都是使用荧光紫外灯管,选择图 3 中两个不同波长光谱中的一个。G53中规定的设备是 Q-Lab公司的 QUV/se型号。这种设备安装有反馈控制系统,可以精确控制紫外光的辐照度,在这次研讨会的另外一篇文章中有介绍。在这些试验中,340nm处辐照度控制在1.35W/m2/nm。荧光紫外设备为测试光谱功率分布的作用提供了一个理想的工具,因为不像其它类型的灯管,这种设备的灯管在其使用寿命之内的光谱功率分布的形状不发生变化。

荧光紫外灯管的光谱功率分布

图3-荧光紫外灯管的光谱功率分布

为了排除湿度的影响,暴露过程中只是连续紫外光照,没有冷凝。为了排除温度的影响,暴露温度始终保持在 50°C.

注意到 UVA-340和 UVA-351灯管的光谱功率分布的曲线只偏移了10nm,这是一个很小的变化,比图1中夏天和冬天的太阳光光谱之间的差别小很多。然而,下面的测试显示,相同焦耳数引起的老化性能的差异可以高达 2:1。

图4-波长对聚苯乙烯薄片产生黄变老化的影响

图4-波长对聚苯乙烯薄片产生黄变老化的影响

图4显示,对透明聚苯乙烯薄片进行测试时,要想对材料产生预期的黄变(delta b*)效果,较长波长的灯管UVA- 351比UVA-340要多照射大约80%的总紫外焦耳数。如果研究者依靠焦耳数来定义这些测试,将会引起很大的错误。

用总紫外焦耳数计算时间

图5-用总紫外焦耳数计算时间,研究波长对环氧涂层失光的影响。相同焦耳数,不同光谱功率分布的灯管引起不同的失光速率

图5显示了波长对环氧涂层失光老化的类似影响。在这个试验中,UVA-351灯管需要大约两倍于UVA-340灯管的总紫外焦耳数才能达到材料预期的失光效果。

波长对环氧涂层失光的影响

图6-用340nm 处的紫外焦耳数计时,研究波长对环氧涂层失光的影响。在340nm 测量紫外焦耳数并不比测量总紫外焦耳数更精确

有时人们断言,在 340nm测量焦耳数来定义测试时间比用总紫外焦耳数来定义时间更精确。图6与图5的数据相同,只是使用 340nm处的紫外焦耳数而不是总紫外焦耳数来表示。但这并没有提高测试计时的精确性。UVA-351仍需要大约两倍于UVA-340的焦耳数才能达到预期的失光效果。所得数据与图5 一致。

波长对聚氨酯涂料失光的影响

图7-波长对聚氨酯涂料失光的影响。在相同焦耳数下,不同光谱功率分布的灯管并不总是引起不同的失光速率

图7显示尽管光谱功率分布可能会产生很大影响,但有时影响也很小。在这个测试中,UVA-340和UVA-351灯管,尽管光谱功率分布不同,但在相同焦耳数下显示大致相同的失光效果。

以上数据表明,相同焦耳数下,光谱功率分布的很小变化造成的材料老化的差异会达到 2 比 1。换句话说,对于曝晒测试,如果光谱功率分布不同,用焦耳数来定义测试时间引起的误差会达到200%以上。不管是用总紫外焦耳数还是某一波长(如340nm处)的焦耳数来表示,都会引起以上错误。

自然太阳光紫外光谱的平均变化比以上介绍的两种紫外灯管之间的变化要大。太阳紫外线的光谱功率分布随着时间、季节、云层和污染(如图1所示)的不同而发生显著变化。那么由焦耳数引起的材料发生的老化理所当然地会随着光谱功率分布的不同变化。然而当用焦耳数来定义户外曝晒的测试时间时,就胡乱地混淆了夏天和冬天的焦耳数、上午10点和中午的焦耳数,而不顾光谱功率分布之间的差别。

初次之外,焦耳数等效中同时还未考虑到温度、湿度等对于老化的影响,因此在实验室加速老化试验与自然老化的时间换算中,无法用焦耳数进行等效。更多关于实验室加速老化测试与自然老化时间换算的问题,详见《试验机加速老化时间与户外老化时间应该如何换算?》

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